[发明专利]阳极反应性排放及喷射器变换控制方法

说明书

美国政府可能拥有本发明的已付费许可证，并且在某些情况下 有权要求专利权人按照美国能源部颁布的政府契约/工程中规定的合理条 件许可其他人使用本发明。

技术领域

本发明总体上涉及一种矫正由于缺氢引起的电池电压不稳定 的燃料电池系统，更具体地涉及一种包括分裂式子电池堆的燃料电池系 统，该燃料电池系统在执行反应性阳极排放之前将纯净的氢气喷射到弱的 子电池堆中，以尽力从较低的电池电压中恢复过来并提高系统稳定性。

背景技术

氢气是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并可用于在燃料 电池中有效地产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及介于它们之间的 电解质的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳 极分解，以产生自由的质子和电子。质子经由电解质流到阴极。质子与阴 极中的氧气和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，并由 此被引导通过负载以便在被送到阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常见燃料电池。 PEMFC通常包括固态的聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极 和阴极通常包括承载于碳颗粒上并与离聚物混合的细碎的催化剂颗粒，通 常为铂(Pt)。催化剂混合物沉积在隔膜的相对侧。阳极催化剂混合物、 阴极催化剂混合物以及膜的结合物限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制 造成本相对较高，并且需要特定条件以便有效工作。

通常，在燃料电池堆中结合多个燃料电池来产生期望的电能。 例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百或者更多个堆叠的燃料电 池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，该反应气体通常为通过压缩机强 制通入电池堆的空气流。并非所有氧气都被电池堆消耗，一些空气作为阴 极废气输出，阴极废气可能包括作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接 收流入电池堆的阳极侧的阳极氢气反应气体。电池堆还包括冷却流体流经 其中的流动通道。

燃料电池堆包括位于电池堆中的多个MEA之间的一系列双极 板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。对于电池堆中的相邻燃料电池 而言，双极板包括阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳 极侧，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双 极板的阴极侧，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极 气体流动通道，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由 导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池所产生的电引 导到电池堆外。双极板还包括冷却流体流经其中的流动通道。

MEA是可渗透的，并由此允许来自电池堆阴极侧的空气中的氮 气经由其渗透并积聚在电池堆的阳极侧，在本领域中称作氮气穿越 (nitrogen cross-over)。即使阳极侧压力可能高于阴极侧压力，阴极 侧的分压也会使空气透过膜。燃料电池堆的阳极侧中的氮气稀释氢气，因 此，如果氮气浓度增大超过一定比例，例如50％，燃料电池堆会变得不稳 定并可能失效。在本领域中公知的是，在燃料电池堆的废气输出处设置排 放阀，以从电池堆的阳极侧移除氮气。

一些燃料电池系统利用阳极流动变换，其中，燃料电池堆被分 为多个子电池堆，并且阳极反应气体沿交替变换的方向流经分裂式子电池 堆。在这些类型的设计中，排放歧管单元(BMU)有时设置在分裂式子电 池堆之间，排放歧管单元包括用于实现阳极废气排放的阀。

可利用一种算法，该算法在电池堆工作的过程中提供对阳极废 气中的氮气浓度的在线估测，从而确定何时该进行阳极废气排放。该算法 可基于从阴极侧到阳极侧的渗透速率及阳极废气的周期排放在一段时间 内跟踪电池堆的阳极侧的氮气浓度。当算法计算出氮气浓度的增长高于预 定的阈值时，例如增长10％，其可触发排放操作。通常，在允许多个电池 堆阳极容量进行排放的时间段内执行这种排放，该排放有时称作主动排 放，由此使氮气浓度降至阈值以下。

另一种已知的阳极废气排放被称为反应性排放。在反应性排放 中，算法计算出燃料电池电压，并在电池电压超过电池堆的电池压差阈值 时进行排放。电池压差是分裂式子电池堆的最大电池电压与最小电池电压 之间的差。反应性排放的目的是使因电池缺氢而导致的电池压差减小。通 常，缺氢是因为在电池堆的阳极侧的流动区域中氮气积聚过度或者液态水 泛滥引起的。